張 峰 徐 晨 穆云龍 陳洪波 李 德

（1. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，合肥 230000；2. 安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，合肥 230000；3. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，合肥 230000；4. 武漢凱默電氣有限公司，武漢 430223）

0 引言

繼電保護(hù)裝置是確保電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵裝置[1]，保護(hù)裝置的正確動(dòng)作是整個(gè)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。隨著IEC 61850 數(shù)字化變電站技術(shù)的成熟和推廣[2]，就地化保護(hù)因其具有二次回路簡單、通信協(xié)議和接口統(tǒng)一、動(dòng)作時(shí)間快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為智能變電站繼電保護(hù)的重要發(fā)展方向[3]。

就地化保護(hù)將保護(hù)裝置貼近一次設(shè)備安裝[4-5]，現(xiàn)場(chǎng)即插即用，實(shí)現(xiàn)間隔二次設(shè)備模塊化集成、工廠化預(yù)制、更換式檢修[6]。就地化保護(hù)設(shè)備在安裝現(xiàn)場(chǎng)按間隔分散布置[7]，每種保護(hù)裝置設(shè)置獨(dú)立的子機(jī)。為保證通信的可靠性，多個(gè)子機(jī)采用高可靠無縫冗余（high-availability seamless redundancy,HSR）環(huán)網(wǎng)雙向組網(wǎng)[8]，通過冗余方式克服單點(diǎn)失效對(duì)通信的影響[9]，滿足信息傳輸可靠性的要求。

HSR 環(huán)網(wǎng)是智能變電站就地化保護(hù)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)之一，其性能直接影響繼電保護(hù)裝置正常運(yùn)行。當(dāng)前的就地化保護(hù)測(cè)試研究，主要集中在單個(gè)保護(hù)設(shè)備的出廠檢驗(yàn)和故障檢修，但整個(gè)HSR 環(huán)網(wǎng)的可靠性除了與單個(gè)保護(hù)設(shè)備相關(guān)之外，還與安裝過程、傳輸鏈路和現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境等因素相關(guān)。因此，在實(shí)驗(yàn)室、檢修中心和現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)前開展HSR 環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試研究工作，具有非常重要的意義。

就地化HSR 環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量，既與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試相關(guān)，又有重要區(qū)別。HSR 環(huán)網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)氖黔h(huán)網(wǎng)通信報(bào)文幀，報(bào)文內(nèi)帶有HSR 標(biāo)簽，標(biāo)識(shí)環(huán)網(wǎng)類型、傳輸方向和數(shù)據(jù)鏈路長度等信息。環(huán)網(wǎng)通信報(bào)文幀只能在環(huán)網(wǎng)內(nèi)部傳輸，在環(huán)網(wǎng)外部無法被識(shí)別，普通報(bào)文也無法在環(huán)網(wǎng)內(nèi)傳輸，因此通用的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量設(shè)備，無法進(jìn)行環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)估。本文根據(jù)HSR 環(huán)網(wǎng)的工作機(jī)制，結(jié)合環(huán)網(wǎng)的工作特點(diǎn)，分析影響環(huán)網(wǎng)性能的參數(shù)和測(cè)量方法。在基于以上研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）和多核數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor, DSP）為主體的硬件測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)吞吐量、時(shí)延、丟包率和錯(cuò)誤幀監(jiān)測(cè)功能，并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，為智能變電站就地化保護(hù)環(huán)網(wǎng)性能評(píng)估提供理論和實(shí)踐支持。

1 HSR 環(huán)網(wǎng)

1.1 工作機(jī)制

智能變電站就地化保護(hù)采用“三層兩網(wǎng)”的系統(tǒng)架構(gòu)[10]，IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)定義了繼電保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)基于以太網(wǎng)方案進(jìn)行通信[11]，對(duì)于變電站快速響應(yīng)事件具有優(yōu)先級(jí)高、靈活且可靠的傳輸機(jī)制[12]。為保證保護(hù)設(shè)備可靠動(dòng)作，HSR 環(huán)網(wǎng)通過冗余鏈路和數(shù)據(jù)的方式，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。IEC 62439—3 標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)介紹了HSR 冗余網(wǎng)絡(luò)的通信原則[13-14]：就地化保護(hù)HSR 環(huán)網(wǎng)由若干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包含兩個(gè)雙連接交換節(jié)點(diǎn)（double attached node with HSR, DANH），每個(gè)DANH 含有兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)端口，每組DANH 的網(wǎng)絡(luò)端口依次相連，形成雙向串行環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立[15]，由4 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的HSR 網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示。

圖1 HSR 網(wǎng)絡(luò)

就地化保護(hù)HSR 環(huán)網(wǎng)由啟動(dòng)環(huán)和保護(hù)環(huán)兩個(gè)冗余環(huán)網(wǎng)組成，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)為就地化元件保護(hù)子機(jī)。子機(jī)內(nèi)每個(gè)DANH 的網(wǎng)絡(luò)端口，共享介質(zhì)訪問控制（media access control, MAC）地址和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（internet protocol, IP）地址，各網(wǎng)絡(luò)端口均傳輸HSR 報(bào)文，在普通網(wǎng)絡(luò)報(bào)文中插入HSR 標(biāo)簽，HSR報(bào)文幀格式如圖2 所示。

圖2 HSR 報(bào)文幀格式

當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，該數(shù)據(jù)包被復(fù)制為4 份，從兩個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)不同方向被同時(shí)發(fā)送，做到數(shù)據(jù)的冗余備份[16]；目的節(jié)點(diǎn)只響應(yīng)第一個(gè)收到的數(shù)據(jù)包，但會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)所有數(shù)據(jù)包；其他節(jié)點(diǎn)只會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)包；發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到自身發(fā)出的數(shù)據(jù)包后不進(jìn)行處理，直接丟棄。

就地化保護(hù)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和鏈路的雙重冗余，當(dāng)某個(gè)鏈路或DANH 發(fā)生故障，數(shù)據(jù)仍能通過另一鏈路到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)中斷，有效解決了通信環(huán)節(jié)異常對(duì)保護(hù)帶來的影響，極大提高了保護(hù)的可靠性[17]。由于數(shù)據(jù)冗余會(huì)帶來大量的計(jì)算處理工作，為減輕應(yīng)用處理的負(fù)擔(dān)，HSR 標(biāo)簽添加、復(fù)制幀處理、接收?qǐng)?bào)文轉(zhuǎn)發(fā)等工作，在DANH內(nèi)部完成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 DANH 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DANH 的核心是鏈路冗余單元（link redundancy entity, LRE），上層應(yīng)用的發(fā)送報(bào)文經(jīng)過LRE 加入HSR 標(biāo)簽后分別向兩個(gè)端口進(jìn)行發(fā)送；一個(gè)端口接收到的報(bào)文，在向LRE 提交的同時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)向另一個(gè)端口；LRE 和發(fā)送端口會(huì)對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢查，如果報(bào)文是從本節(jié)點(diǎn)發(fā)出，或報(bào)文格式錯(cuò)誤，則會(huì)直接丟棄；對(duì)于接收的有效環(huán)網(wǎng)報(bào)文，LRE 會(huì)去掉HSR 標(biāo)簽后，提交到應(yīng)用層處理，而發(fā)送端口則會(huì)將該報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量用于展現(xiàn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行性能優(yōu)化，開展網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量從不同角度看，分類也各不相同。按測(cè)量方式，可分為主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量[18]；按測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，可分為單點(diǎn)測(cè)量和多點(diǎn)測(cè)量；按測(cè)量功能，可分為拓?fù)錅y(cè)量和性能測(cè)量等。

進(jìn)行主動(dòng)測(cè)量時(shí)，基于不同的測(cè)量目的，向目標(biāo)鏈路或節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)試流，根據(jù)這些測(cè)試流的傳輸情況來了解網(wǎng)絡(luò)行為。這種方法測(cè)量目標(biāo)明確，可控性較高，但主動(dòng)測(cè)量向網(wǎng)絡(luò)注入的測(cè)試流量本身增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，改變了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，造成測(cè)量結(jié)果和實(shí)際情況之間的偏差。因此在進(jìn)行主動(dòng)測(cè)量時(shí)，必須考慮注入測(cè)試流對(duì)網(wǎng)絡(luò)本身的影響，并將這種影響降到最低。

被動(dòng)測(cè)量方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)鏈路或節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲，然后根據(jù)設(shè)置條件匯總和記錄測(cè)試信息。被動(dòng)測(cè)量不產(chǎn)生任何探測(cè)報(bào)文，因此對(duì)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生額外的開銷，缺點(diǎn)是采集的數(shù)據(jù)不夠規(guī)律，很難進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)端到端的性能分析，對(duì)需要監(jiān)測(cè)的報(bào)文設(shè)置條件不合理會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。在網(wǎng)絡(luò)流量較大時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備的性能要求高，需要更加復(fù)雜的分析機(jī)制。

在網(wǎng)絡(luò)測(cè)量實(shí)際過程中，會(huì)根據(jù)測(cè)量目的、對(duì)象等，綜合選擇一種測(cè)量方法，或多種測(cè)量方法相結(jié)合。

1.3 性能參數(shù)

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量通過儀器或工具對(duì)網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)指標(biāo)和性能參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，取得網(wǎng)絡(luò)的性能和服務(wù)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的核心分支，網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)是理解、認(rèn)識(shí)和量化網(wǎng)絡(luò)行為最基本、最有效的手段。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備評(píng)測(cè)國際標(biāo)準(zhǔn)RFC2544，結(jié)合就地化保護(hù)HSR 環(huán)網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，本文從吞吐量、時(shí)延、丟包率和錯(cuò)誤幀監(jiān)測(cè)四個(gè)方面來對(duì)HSR 環(huán)網(wǎng)性能進(jìn)行評(píng)估。

吞吐量是網(wǎng)絡(luò)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，分為端口吞吐量和鏈路吞吐量，是指端口、鏈路在單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件條件和軟件算法是決定吞吐量的主要因素。對(duì)于一臺(tái)理想的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其吞吐量應(yīng)該等于端口最大速率。進(jìn)行吞吐量測(cè)試時(shí)，同一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)不同測(cè)試幀長的測(cè)試結(jié)果不同，由于前導(dǎo)碼和幀間隔的原因，越小的幀長其傳輸速率越低，尤其是64B 的小包處理能力，最能體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能。

時(shí)延用于衡量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的速率，是指數(shù)據(jù)幀進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的時(shí)間間隔。在同一幀長情況下，測(cè)得的時(shí)延變化稱為抖動(dòng)，它反映網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。RFC1242 將時(shí)延分為兩類：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和直接交換時(shí)延。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延與測(cè)試幀長有關(guān)，只有接收到完整的數(shù)據(jù)包才開始轉(zhuǎn)發(fā)，測(cè)試幀長較大的時(shí)候時(shí)延也會(huì)相應(yīng)增大。采用直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不管數(shù)據(jù)包的整體大小，其時(shí)延相對(duì)固定。

丟包率指一定時(shí)間間隔內(nèi)，丟棄的數(shù)據(jù)包占總數(shù)據(jù)包的比例，它反映了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)過載壓力的承受能力，過載程度不同，丟包率也不一樣，因此只有標(biāo)明測(cè)試速度的丟包率才有參考意義。

網(wǎng)絡(luò)傳輸并非百分之百可靠，在外部干擾下，數(shù)據(jù)幀傳輸過程中可能出錯(cuò)，產(chǎn)生錯(cuò)誤幀。根據(jù)受影響數(shù)據(jù)位置的不同，錯(cuò)誤幀的類型不同，如某些比特位可能從0 變成1 或從1 變成0，則會(huì)產(chǎn)生循環(huán)冗余校驗(yàn)（cyclic redundancy check, CRC）錯(cuò)誤。理想情況下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)當(dāng)能識(shí)別錯(cuò)誤幀，不會(huì)響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)錯(cuò)誤幀。

網(wǎng)絡(luò)性能各個(gè)測(cè)試參數(shù)的側(cè)重點(diǎn)不一樣。吞吐量反映設(shè)備在長時(shí)間使用時(shí)不丟包情況下所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)發(fā)速度；時(shí)延表征設(shè)備處理網(wǎng)絡(luò)幀的速度；丟包率表示測(cè)試設(shè)備在短時(shí)間、高轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的丟幀百分比；對(duì)錯(cuò)誤幀的處理顯示了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和糾錯(cuò)能力。結(jié)合以上四項(xiàng)參數(shù)，可以對(duì)HSR 環(huán)網(wǎng)的性能進(jìn)行綜合評(píng)估。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)就地化HSR 環(huán)網(wǎng)性能測(cè)試的功能需求，測(cè)試平臺(tái)具備多個(gè)網(wǎng)口同時(shí)進(jìn)行環(huán)網(wǎng)報(bào)文的高速收發(fā)，需要強(qiáng)大的并行處理和高速計(jì)算能力，并兼具良好的用戶交互操作性。綜合以上分析，進(jìn)行硬件方案選型，確定硬件平臺(tái)方案，由X86 上位機(jī)、DSP和FPGA 組成，如圖4 所示。

圖4 硬件平臺(tái)方案

X86 上位機(jī)運(yùn)行Linux 操作系統(tǒng)，使用Qt 圖形界面與用戶進(jìn)行交互，接收用戶配置，通過網(wǎng)口發(fā)送配置信息到DSP，同時(shí)接收DSP 的測(cè)試結(jié)果信息并顯示；DSP 控制測(cè)試流程，實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算，負(fù)責(zé)測(cè)試報(bào)文的組織和接收?qǐng)?bào)文的解析；FPGA 進(jìn)行外圍接口控制、報(bào)文收發(fā)控制和并行處理。

就地化HSR 環(huán)網(wǎng)性能測(cè)試平臺(tái)提供6 個(gè)千兆光網(wǎng)口，每個(gè)光網(wǎng)口的功能可單獨(dú)配置，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量功能。FPGA 與DSP 通過串行高速輸入輸出口（serial rapid input & output, SRIO）和周邊裝置互連高速（peripheral component interconnect express,PCIE）總線進(jìn)行批量報(bào)文傳輸，以及外部內(nèi)存接口（external memory interface, EMIF）進(jìn)行內(nèi)部寄存器配置。

2.2 系統(tǒng)功能劃分

測(cè)試平臺(tái)功能包括人機(jī)交互和測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)兩大部分。人機(jī)交互由X86 上位機(jī)完成，測(cè)試開始前，由用戶通過界面配置測(cè)試功能、持續(xù)時(shí)間、測(cè)量方式等信息；測(cè)試過程中顯示測(cè)試狀態(tài)；測(cè)試完成時(shí)統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)由DSP 和FPGA 共同配合完成，其內(nèi)部又分為系統(tǒng)對(duì)時(shí)、寄存器控制、報(bào)文收發(fā)和報(bào)文特殊處理。

系統(tǒng)對(duì)時(shí)實(shí)現(xiàn)與保護(hù)裝置時(shí)鐘同步，保護(hù)裝置的采樣率為每周期80 點(diǎn)，即每秒4 000 點(diǎn)，智能變電站內(nèi)設(shè)備通過 B 碼或全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）統(tǒng)一衛(wèi)星對(duì)時(shí)。DSP 通過串口配置GPS 產(chǎn)生秒脈沖（pulse per second, PPS），讀取時(shí)間信息，寫入FPGA 內(nèi)部寄存器。FPGA 根據(jù)B 碼或PPS 產(chǎn)生4K 中斷到DSP，與保護(hù)裝置的采樣同步。

寄存器控制用于DSP 和FPGA 共享系統(tǒng)信息。FPGA 內(nèi)置了一組配置寄存器和狀態(tài)寄存器，由DSP通過EMIF 進(jìn)行讀寫。配置寄存器保存測(cè)試參數(shù)，如時(shí)間、測(cè)試幀長，狀態(tài)寄存器實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)狀態(tài)，如接收?qǐng)?bào)文統(tǒng)計(jì)、錯(cuò)誤幀數(shù)量。通過寄存器控制，實(shí)現(xiàn)DSP 與FPGA 的信息同步。

報(bào)文收發(fā)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。6 個(gè)千兆光口的接收?qǐng)?bào)文，由FPGA 加入時(shí)間戳和端口信息等處理后，進(jìn)行緩存，在下一個(gè)4K 中斷通過SRIO 直接寫入DSP 內(nèi)部存儲(chǔ)器，并進(jìn)行環(huán)網(wǎng)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。原始發(fā)送報(bào)文由DSP 根據(jù)功能進(jìn)行組織，并附加發(fā)送光口等信息，在下一個(gè)4K 中斷到來時(shí)，通過PCIE傳輸?shù)紽PGA，由FPGA 根據(jù)附加的光口信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

報(bào)文特殊處理根據(jù)測(cè)試功能，對(duì)原始報(bào)文進(jìn)行修改，達(dá)到特定目的。如根據(jù)接收?qǐng)?bào)文時(shí)間加入時(shí)間戳，可用于發(fā)送報(bào)文和接收?qǐng)?bào)文的時(shí)延計(jì)算；附加接收端口信息，便于DSP 和FPGA 確定接收和發(fā)送的具體光網(wǎng)口；修改CRC 信息，可用于向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)主動(dòng)注入CRC 錯(cuò)誤幀，用于錯(cuò)誤幀監(jiān)測(cè)。

2.3 測(cè)量點(diǎn)選擇

開展就地化HSR 環(huán)網(wǎng)性能評(píng)估，掌握環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)整體評(píng)估的過程中，測(cè)試平臺(tái)模擬就地化保護(hù)子機(jī)的功能串入環(huán)網(wǎng)中，對(duì)于4 個(gè)子機(jī)組成的就地化保護(hù)HSR 環(huán)網(wǎng)，其可選測(cè)量點(diǎn)如圖5所示。

圖5 可選測(cè)量點(diǎn)

對(duì)環(huán)網(wǎng)整個(gè)鏈路測(cè)量時(shí)，測(cè)試平臺(tái)可在A、B、C、D 4 個(gè)測(cè)量點(diǎn)中的任意一個(gè)串入，進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量即可。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)問題，需要分析單個(gè)鏈路，或者評(píng)估單個(gè)子機(jī)功能時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)鏈路或子機(jī)選擇測(cè)量點(diǎn)。如對(duì)子機(jī)2 進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)試平臺(tái)應(yīng)分別在測(cè)量點(diǎn)B 和測(cè)量點(diǎn)C 同時(shí)串入進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。

3 功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)配置的測(cè)試參數(shù)通過網(wǎng)口發(fā)送到DSP，DSP 將相關(guān)數(shù)據(jù)寫入FPGA 內(nèi)部配置寄存器，然后DSP 和FPGA 根據(jù)設(shè)置參數(shù)共同實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能，具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

3.1 吞吐量

吞吐量定義為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備在沒有丟幀的前提下發(fā)送幀和接收幀的最大速率，采用主動(dòng)測(cè)量方式進(jìn)行，其實(shí)現(xiàn)方法是：測(cè)試設(shè)備串入環(huán)網(wǎng)，由DSP根據(jù)參數(shù)組織目的地址為本設(shè)備的測(cè)試包，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)等間隔發(fā)送，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中其他子機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)后，DSP統(tǒng)計(jì)接收?qǐng)?bào)文，如果丟包則降低發(fā)包速度重新測(cè)試，否則提高發(fā)包速度，直到達(dá)到測(cè)試精度為止。吞吐量測(cè)量結(jié)果與測(cè)試幀長、精度和背景流量相關(guān)。

RFC2544 要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般采用以下7 種測(cè)試幀長：64B、128B、256B、512B、1 024B、1 280B和1 518B，軟件默認(rèn)測(cè)試精度為端口理論最大速度的1%，以上測(cè)試參數(shù)均可通過上位機(jī)由用戶自定義進(jìn)行配置。

測(cè)試開始時(shí)，DSP 按某一幀長，以端口最大速率的100%組織報(bào)文，如果無丟幀則吞吐率為最大速率。如果有丟幀，則將報(bào)文發(fā)送速度調(diào)整到端口最大速度的80%，若仍有丟幀，則繼續(xù)下調(diào)20%進(jìn)行測(cè)試，直到?jīng)]有丟幀。此后DSP 根據(jù)二分法來調(diào)整發(fā)包速度，逐步逼近，當(dāng)測(cè)試有丟幀和沒丟幀的端口速率小于所設(shè)置的測(cè)試精度時(shí)，將沒丟幀時(shí)的端口速度作為此幀長的吞吐量。之后DSP 改變幀長，重新測(cè)試，直到完成所有幀長的吞吐量測(cè)量。

吞吐量測(cè)試時(shí)，需要考慮背景流量的影響。串入環(huán)網(wǎng)中的測(cè)試平臺(tái)，不應(yīng)改變環(huán)網(wǎng)內(nèi)報(bào)文的傳輸，且其傳輸優(yōu)先級(jí)應(yīng)高于測(cè)試報(bào)文。FPGA 在報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)設(shè)置了判決邏輯，根據(jù)環(huán)網(wǎng)內(nèi)流量的大小動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送。當(dāng)FPGA 收到環(huán)網(wǎng)內(nèi)部子機(jī)發(fā)送的報(bào)文時(shí)，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，記錄報(bào)文長度，并按此長度相應(yīng)調(diào)整發(fā)送緩沖區(qū)，記錄實(shí)際發(fā)送的報(bào)文數(shù)，寫入狀態(tài)寄存器，DSP 根據(jù)此寄存器組織下一次測(cè)試報(bào)文。計(jì)算吞吐量時(shí)，需要加入背景流量數(shù)據(jù)。

3.2 時(shí)延

時(shí)延通過DSP 組織測(cè)試幀，F(xiàn)PGA 在報(bào)文發(fā)送時(shí)加上發(fā)送時(shí)間，報(bào)文經(jīng)鏈路傳輸，在選取的測(cè)量點(diǎn)接收時(shí)FPGA 加上接收時(shí)間，DSP 解析報(bào)文后根據(jù)這兩個(gè)時(shí)間計(jì)算時(shí)延。假設(shè)數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間為T1，接收時(shí)間為T2，則時(shí)延為

時(shí)延測(cè)試時(shí)，DSP 根據(jù)測(cè)試幀長和時(shí)間發(fā)包，F(xiàn)PGA 需要根據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)還是直接交換來添加時(shí)間戳。直接交換方式下，測(cè)試幀的第一位數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸出接口時(shí)，為發(fā)送時(shí)間；接收數(shù)據(jù)的第一位出現(xiàn)在輸入接口時(shí)，為接收時(shí)間。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)需要考慮測(cè)試幀長的影響，測(cè)試幀的最后一位數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸出接口作為發(fā)送時(shí)間，F(xiàn)PGA 需要在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)提前將此時(shí)間計(jì)算好。

對(duì)于采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的就地化保護(hù)子機(jī)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延測(cè)試時(shí)，需要考慮鏈路中間子機(jī)的影響。

3.3 丟包率

丟包率采用主動(dòng)測(cè)量方式，由DSP 根據(jù)測(cè)試速度計(jì)算報(bào)文，通過FPGA 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在待測(cè)鏈路的兩端分別進(jìn)行發(fā)送和接收。在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，發(fā)出的數(shù)據(jù)包數(shù)量為N，收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量為M，則丟包率為

數(shù)據(jù)丟包是一種隨機(jī)行為，七種標(biāo)準(zhǔn)幀長都要測(cè)量，且需要重復(fù)多次進(jìn)行，以便獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，速率的調(diào)整一般按10%進(jìn)行，但不能超過10%。

與吞吐量的測(cè)試一樣，由于丟包率測(cè)試在環(huán)網(wǎng)內(nèi)注入大量報(bào)文，為保證環(huán)網(wǎng)工作不受影響，同樣需要FPGA 按照背景數(shù)據(jù)流量動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)試報(bào)文的發(fā)送。但在計(jì)算時(shí)，丟包率只統(tǒng)計(jì)設(shè)備自身發(fā)出和接收的測(cè)試幀，背景報(bào)文由于幀長隨機(jī)，且測(cè)試設(shè)備只是轉(zhuǎn)發(fā)，其數(shù)量與丟包率計(jì)算無關(guān)。

3.4 錯(cuò)誤幀

錯(cuò)誤幀測(cè)試需要結(jié)合主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)測(cè)量方式不發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，由FPGA 根據(jù)規(guī)則檢測(cè)報(bào)文，統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果。主動(dòng)測(cè)量方式則根據(jù)需要檢測(cè)的錯(cuò)誤幀類型，構(gòu)造錯(cuò)誤類型幀，經(jīng)過測(cè)試鏈路傳輸后檢測(cè)是否能收到，來驗(yàn)證被測(cè)鏈路是否能識(shí)別錯(cuò)誤幀，而不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。本測(cè)試平臺(tái)能夠進(jìn)行監(jiān)測(cè)的錯(cuò)誤幀識(shí)別規(guī)則見表1。

表1 錯(cuò)誤幀識(shí)別規(guī)則

某些錯(cuò)誤幀的發(fā)送和識(shí)別，需要網(wǎng)絡(luò)MAC 控制器底層的特殊操作，被動(dòng)測(cè)量時(shí)其監(jiān)測(cè)功能完全由FPGA 實(shí)現(xiàn)，DSP 只需從相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)寄存器讀取結(jié)果。主動(dòng)測(cè)量時(shí)，由DSP 構(gòu)造最原始報(bào)文，F(xiàn)PGA根據(jù)需要測(cè)試的錯(cuò)誤幀類型進(jìn)行特殊處理后發(fā)送。

4 測(cè)試驗(yàn)證

測(cè)試平臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，以圖5 所示的四子機(jī)環(huán)網(wǎng)作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)功能。在測(cè)試過程中，為避免測(cè)試報(bào)文對(duì)環(huán)網(wǎng)正常工作的影響，測(cè)試平臺(tái)模擬子機(jī)功能串入環(huán)網(wǎng)，被動(dòng)測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，主動(dòng)測(cè)量時(shí)發(fā)送目的地址為自身的報(bào)文，其他子機(jī)對(duì)測(cè)試報(bào)文只轉(zhuǎn)發(fā)，不響應(yīng)。

4.1 吞吐量測(cè)試

測(cè)試平臺(tái)在測(cè)量點(diǎn)A 串入，為保證吞吐量測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證采用七種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試幀長，測(cè)試精度1%，重復(fù)測(cè)試20 次，取20 次測(cè)試的平均值，得到每種測(cè)試幀長對(duì)應(yīng)的吞吐量，如圖6 所示。

圖6 吞吐量測(cè)試結(jié)果

以太網(wǎng)規(guī)定了8B 的前導(dǎo)碼及12B 的最小幀間隔，從圖6 可以看出，測(cè)試幀長越小，前導(dǎo)碼和幀間隔對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響越大。

4.2 時(shí)延測(cè)試

測(cè)試平臺(tái)在測(cè)量點(diǎn)A 和測(cè)量點(diǎn)B 串入，由測(cè)量點(diǎn)A 向子機(jī)1 發(fā)測(cè)試報(bào)文，在測(cè)量點(diǎn)B 處接收測(cè)試報(bào)文。測(cè)試采用七種標(biāo)準(zhǔn)幀長，每種重復(fù)測(cè)試20 次，計(jì)算平均值，得到子機(jī)1 的時(shí)延結(jié)果，見表2。

表2 時(shí)延測(cè)試結(jié)果

子機(jī)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，測(cè)試時(shí)按后進(jìn)先出方法計(jì)算，消除了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的影響，中長幀的測(cè)試結(jié)果比短幀更為穩(wěn)定。

4.3 丟包率測(cè)試

丟包率反映網(wǎng)絡(luò)超負(fù)荷工作從而導(dǎo)致異常的情況，通常網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求在70%負(fù)載下丟包率不超過0.1%。對(duì)于就地化保護(hù)HSR 環(huán)網(wǎng)而言，正常情況下流量達(dá)不到滿負(fù)荷狀態(tài)，滿載測(cè)試可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)異常，使測(cè)試結(jié)果不具備參考意義。從驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)功能的角度出發(fā)，將測(cè)試平臺(tái)從測(cè)量點(diǎn)A 串入，按70%的端口流量、七種測(cè)試幀長發(fā)送測(cè)試包并接收統(tǒng)計(jì)，每種幀長測(cè)試30s，重復(fù)20 次，所有報(bào)文均能被正確接收，丟包率為0。

4.4 錯(cuò)誤幀測(cè)試

測(cè)試平臺(tái)在測(cè)量點(diǎn)A 串入，通過被動(dòng)測(cè)量的方式監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤幀，持續(xù)時(shí)間30s。然后再以主動(dòng)測(cè)量的方式分別向子機(jī)1 和子機(jī)4 發(fā)送指定錯(cuò)誤幀，并繼續(xù)監(jiān)測(cè)，持續(xù)時(shí)間30s，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)檢測(cè)不到任何錯(cuò)誤幀。

將測(cè)試平臺(tái)光網(wǎng)口的發(fā)送端直接連到接收端，按主動(dòng)測(cè)量的方式發(fā)送指定錯(cuò)誤幀，此時(shí)可以檢測(cè)到錯(cuò)誤幀，且錯(cuò)誤幀類型和數(shù)量與發(fā)送一致。

從上面的測(cè)試過程可以看出，測(cè)試平臺(tái)具備錯(cuò)誤幀監(jiān)測(cè)功能，環(huán)網(wǎng)內(nèi)子機(jī)能夠正確識(shí)別錯(cuò)誤幀，且不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)錯(cuò)誤幀。

5 結(jié)論

HSR 環(huán)網(wǎng)通過鏈路和數(shù)據(jù)的雙重冗余，消除單點(diǎn)故障對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，通信可靠性高。智能變電站就地化保護(hù)裝置在實(shí)驗(yàn)室、檢修中心和現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)前，開展HSR 環(huán)網(wǎng)性能評(píng)估顯得非常重要。針對(duì)當(dāng)前HSR 環(huán)網(wǎng)缺乏有效測(cè)試手段的問題，本文根據(jù)當(dāng)前電子技術(shù)的發(fā)展和HSR 環(huán)網(wǎng)的工作原理，設(shè)計(jì)了基于FPGA 和多核DSP 的硬件平臺(tái)，通過對(duì)吞吐量、時(shí)延、丟包率和錯(cuò)誤幀監(jiān)測(cè)的原理進(jìn)行分析，軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。試驗(yàn)時(shí)測(cè)試平臺(tái)模擬環(huán)網(wǎng)內(nèi)子機(jī)功能串入環(huán)網(wǎng)，在吞吐量、丟包率測(cè)試時(shí)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)網(wǎng)內(nèi)報(bào)文，不影響原來環(huán)網(wǎng)鏈路和數(shù)據(jù)的正常收發(fā)。驗(yàn)證結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)，能夠滿足智能變電站就地化HSR 環(huán)網(wǎng)性能評(píng)估的要求，保證保護(hù)裝置正確動(dòng)作，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。